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1、杨 凌,模 拟 电 子 线 路 第2章,第2章 半导体二极管及其基本电路,2.0 引言 电路 器件 应用 Richard J.Valentine 摩托罗拉公司首席工程师“分立半导体器件是大多数电子电路的基本构件,即使对于微型计算机芯片这样的复杂集成电路器件,也是由二极管和晶体管构成的。工程师在开始设计电路之前,不管这个电路是一个普通的家用计算机电源,还是一个含有500万个晶体管的微处理器集成电路,了解其中的单个元器件的工作原理是非常必要的。”,2.0 引言,“每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计着更快地选择正确的元器件.花时间学习每种分立半导
2、体器件如何工作,以及它们与其他元件如何相互作用,最终会得到回报的.”“任何电子类职业都会涉及到半导体器件的应用甚至设计.掌握半导体器件的基本知识,无论对于那些测试二极管、晶体管以及微电路芯片的技工,还是那些将半导体器件设计到电子设备中的工程师来说,都是非常重要的.”,2.1 半导体的基本知识,半导体的导电率介于导体和绝缘体之间(103109cm).硅(Si)和锗(Ge)是常用的半导体材料,它们广泛用于半导体器件和集成电路中,其他半导体材料用在特殊的领域中,例如砷化镓(GaAs)及其相关化合物用在特高速器件和光器件中.一、本征半导体 本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体.本征半导体呈
3、电中性.,2.1 半导体的基本知识,图 2.1,图 2.2,本征激发,2.1 半导体的基本知识,ni=pi=AT3/2eEg0/2kT（21）3.881016cm3K3/2（Si）1.761016cm3K3/2（Ge）1.21 eV（Si）0.785 eV（Ge）k(玻尔兹曼常数)=8.63105 eV/K T ni，T=300K，ni(Si)1.51010cm3 ni(Ge)2.41013cm3,;T(K),A=,Eg0(禁带宽度)=,2.1 半导体的基本知识,硅本征半导体中自由电子的浓度为 1.51010cm3,看上去似乎很大,但和硅原子的浓度4.961022cm3相比还是很小的.所以,本
4、征半导体的导电能力很弱(本征硅的电阻率约为2.2105cm).二、杂质半导体 掺有杂质的半导体称为杂质半导体.在掺杂过程中,通过控制自由电子和空穴的浓度,来控制半导体的导电性能.杂质半导体依然呈电中性.,2.1 半导体的基本知识,1.N型半导体,多子:自由电子 少子:空穴,2.P型半导体,多子:空穴 少子:自由电子,2.1 半导体的基本知识,在热平衡条件下 n0 p0=ni 2（22）N型半导体 n0=Nd+p0 Nd（23）Nd 施主原子浓度.P型半导体 p0=Na+n0 Na（24）Na 受主原子浓度.(1)掺杂后,多子浓度都将远大于少子浓度.且少量掺杂,载流子就会有几个数量级的增加,即导
5、电能力显著增大.,2.1 半导体的基本知识,(2)在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与温度无关(3)在杂质半导体中,少子浓度随温度升高而显著增大.少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因.三、两种导电机理漂移和扩散 1.漂移和漂移电流 在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运动,这种定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流.,2.1 半导体的基本知识,图 2.5,Jt=Jpt+Jnt=q(pp+nn)E=E（25）2.扩散和扩散电流 因载流子的浓度差引起的载流子的定向运动称为扩散运动,相应产生的电流称为扩散电流.,2.1 半导体的基本知识,J
6、d=Jpd+Jnd（26）,由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流.,2.2 PN 结,当P区和N区连接在一起构成PN结时,半导体的现实作用才真正发挥出来.一、PN结的形成 1.形成过程,图 2.7,2.2 PN 结,2.内建电位差,其中:VT26mV,2.2 PN 结,室温下(T=300K),VB(Ge)0.20.3V,VB(Si)0.50.7V,3.阻挡层宽度,2.2 PN 结,二、PN结的伏安关系,2.2 PN 结,1、正偏 l l0，IDIT IF2、反偏 ll0，ID IT IS,(Na、Nd)IS,T IS,图 2.11,PN结具有单向导电性.,2.2 PN 结
7、,(29),(210),3、V-I关系的数学表达式,VD(on)0.7V(Si),VD(on)0.25V(Ge),当VDVD(on)时,PN结正向导通.,VD 每增加60mV,ID将按10的幂次方迅速增大.,2.2 PN 结,4、温度特性 温度每升高10oC,IS约增加一倍.温度每升高1oC,VD(on)约减小2.5mV.,5、击穿特性 电击穿(可逆)热击穿(不可逆),雪崩击穿(低掺杂PN结,VBR6V)齐纳击穿(高掺杂PN结,VBR6V),2.2 PN 结,(1)、雪崩击穿,图 2.12,2.2 PN 结,(2)、齐纳击穿,E(2105V/cm),电子-空穴对,场致激发,载流子剧增,三、PN
8、结的电容特性 1、势垒电容CB,图 2.13,(a)势垒电容充电,(b)势垒电容放电,2.2 PN 结,f且反偏时,CB影响显著.2、扩散电容CD 正偏时,CD较大.3、结电容Cj Cj=CB+CD 正偏时,CjCD(几十pF到几千pF)反偏时,CjCB(几pF到几十pF),2.3 二极管,一、结构、分类、符号,2.3 二极管,2.3 二极管,1、结构点接触型:结面积小,极间电容小,不能承受高的反向电压和大的电流,适于做高频检波和开关元件用.2AP1(IF=16mA,f=150MHz)面接触型:结面积大,极间电容也大,适于做整流用,但不宜用于高频电路中.2CP1(IF=400mA,f=3kHz
9、)平面型:集成电路中的常用形式.2、分类,2.3 二极管,按材料分类:硅管、锗管、砷化镓管等;按用途分类:检波二极管、开关二极管、特殊二极管等;按工作频率分类:高频管、低频管等;按输出功率分类:大功率管、中功率管、小功率等.3、符号二、V-I特性,图 2.16,2.3 二极管,2.3 二极管,三、主要参数 1、最大整流电流IF 2、反向击穿电压VBR 3、反向电流IR 4、极间电容Cj 5、最高工作频率f四、电路模型 1、理想模型 2、恒压降模型,2.3 二极管,3、折线模型4、小信号模型,(c),图 2.20,2.3 二极管,五、特殊二极管 1、稳压二极管 VZ、IZ、rZ、PZM,图 2.
10、21,2.3 二极管,3、发光二极管(LED),电信号,光信号,4、光电二极管,光信号,电信号,在反向状态下运行,2、变容二极管在高频技术中应用较多.如谐振回路的电调谐;压控振荡器;频率调制等.,图 2.22,2.3 二极管,图 2.23,5、激光二极管,图 2.24,2.3 二极管,激光二极管的物理结构是在发光二极管的节间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正偏时，LED发出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出来的单波长的光。同时光在光谐振腔中产生振荡并被放大，形成激光。激光二极管发射的主要是红外线，它在小功率光电设备中得到广泛
11、应用，如计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等。,2.4 二极管基本应用电路,一、整流电路 整流电路是二极管的一个重要应用.整流是将正、负交替的交流电转化为单一极性的直流电的过程.,图 2.25 小功率直流稳压电源的组成框图,2.4 二极管基本应用电路,1、半波整流,图 2.26,v20，VD，vO=v2；v20，VD，vO=0.,2.4 二极管基本应用电路,2、全波整流,图 2.27,v20，VD1，VD2，vO=v2；v20，VD1，VD2，vO=v2.,VO 0.9V2(214),2.4 二极管基本应用电路,3、桥式整流,图 2.28,v20，VD1，VD3，VD2，VD4，vO=
12、v2；v20，VD1，VD3，VD2，VD4，vO=v2.,2.4 二极管基本应用电路,整流桥堆,2.4 二极管基本应用电路,二、稳压电路,IZ=IRIL IZmin=IRmin ILmax(215)IZ=IRIL IZmax=IRmax ILmin(216)IZmin IZ IZmax(217),2.4 二极管基本应用电路,【例2-1】试设计一稳压管稳压电路,作为汽车用收音机的供电 电源。已知收音机的直流电源为9V,音量最大时需供给的功 率为0.5W。汽车上的供电电源在1213.6V之间波动。要求 选用合适的稳压管(IZmin、IZmax、VZ、PZM),以及合适的限流 电阻(阻值、额定功率
13、)。,2.4 二极管基本应用电路,【解】由题意可画出稳压电路如图2.30所示。,PLmax=VLILmax,取R=47,2.4 二极管基本应用电路,三、低电压稳压电路 由于低电压的稳压管的稳压性能不够理想,所以在34V以下,采用多只二极管串接,以获得较好的稳压特性.,PZM=VZIZmax=9V98mA=882mW,宜选47,1W的电阻.,宜选VZ=9V,IZmax=98mA,IZmin=5mA,PZM=0.882W的稳压管.,2.4 二极管基本应用电路,图 2.31,VI,ID,VD,vI,iD,vD,iD=ID+iD,vD=VD+vD,2.4 二极管基本应用电路,【例2-2】在图2.31(
14、a)所示的低电压稳压电路中,直流电源VI 的正常值为10 V,R=10k,若VI 变化1 V时,问相应的硅 二极管的电压(输出电压)的变动如何?,【解】,vI=1 V vO=2.79mV,2.4 二极管基本应用电路,四、限幅电路,限幅器用于消除信号中大于或小于某一特定值的部分.限幅器最简单的应用是在电子电路的输入端限制输入电压,以保证电路中的晶体管不被击穿.,图 2.32,2.4 二极管基本应用电路,1、单向限幅,vI=Vmsint V10 Vm V1,vIV1+VD(on),VD,vO=V1+VD(on);vIV1+VD(on),VD,vO=vI.,(a),2.4 二极管基本应用电路,vIV
15、1VD(on),VD,vO=vI;vIV1VD(on),VD,vO=V1VD(on).,(c),(d),图 2.33,2.4 二极管基本应用电路,2、双向限幅,图 2.34,设vI=10sint(V),V1=V2=3V,试确定上图(b)中的上限幅值及下限幅值.,(a),(b),2.4 二极管基本应用电路,五、开关电路 二极管和电路中的其他元件连接在一起,可完成逻辑运算功能.如“与”、“或”等.,表 2.1,图 2.35,章末总结与习题讨论,一、本章小结1、熟悉半导体的基本概念载流子(电子、空穴)、P型半导体、N型半导体、多子、少子、施主杂质、受主杂质等;2、理解PN结的形成机理.掌握PN结的单
16、向导电性,了解其反向击穿特性和电容特性.3、掌握PN的伏安关系及其数学表达式;4、熟悉二极管的结构、分类、符号及主要参数,了解几种常用的特殊二极管(稳压管、发光二极管等);5、掌握二极管电路的分析方法,要求采用合理的模型分析二,章末总结与习题讨论,极管电路.6、熟悉常用的二极管应用电路整流、稳压、限幅、开关.二、例题讨论【例2-3】简单二极管基本电路如图2.36所 示.对于下列两种情况,求电路的ID和VD的值:(1)VDD=10V;(2)VDD=1V.在每种情况下,应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解.,【解】(1)VDD=10V VD=0V,ID=1mA.VD=0.7V,ID=0.93mA
17、.ID=0.931mA,VD=0.69V.,章末总结与习题讨论,【例2-4】分析图2.37(a)所示的电路.设电路中各参数如下:VDD=5V,R=5k，VD(on)=0.6V,vi=0.1sint（V）.,(2)VDD=1V VD=0V,ID=0.1mA.VD=0.7V,ID=0.03mA.ID=0.049mA,VD=0.51V.,图 2.37(a),【解】分两步进行分析:直流分析和交流分析.(1)直流分析,章末总结与习题讨论,VO=IDQR=0.885=4.4V(2)交流分析,vd=id rd=19.910629.5=0.59mVvo=id R=99.5 sint(mV)二极管中的电压及电流
18、波形如图2.37(c)所示.,章末总结与习题讨论,图 2.37(c),【例2-5】求图2.38(a)所示电路中的输出.为简单起见,设两个二 极管的Vth=0V,RD=0.【解】(1)当 0vI2V时，VD1,VD2,vO=vI;(2)当vI 2V时，VD1,章末总结与习题讨论,+V1=2V,+vI=6sint V,V2=4V+,R2=10k,R1=10k,图 2.38,+vO,VD1,VD2,(a),i1,若 vI=6V，则 vO=4V.,章末总结与习题讨论,(3)当4VvI0，VD1,VD2,vO=vI;(4)当vI4V，VD2,vO=4V 输入输出波形如图2.38(b)所示.思考:(1)如果假设Vth0,RD=0.输出波形如何?(2)如果假设Vth0,RD0.输出波形如何?,欢 迎 提 出 批 评 指 正!,
